Pourquoi les molécules gauches et droites conduisent le courant différemment express
Un escalier en colimaçon impose son rythme aux pas : si une foule le dévale, son mouvement s'enroule inévitablement. Quelque chose de similaire se produit dans les molécules hélicoïdales — par exemple, l'ADN ou certaines protéines. Lorsqu'on fait passer un courant électrique à travers une telle molécule, les électrons ne se contentent pas de filer tout droit. Ils contournent les courbures de la chaîne moléculaire, et ce mouvement circulaire engendre un champ magnétique minuscule — le moment orbital moléculaire.
C'est précisément ce tourbillon magnétique interne qui, comme le montrent les auteurs de la nouvelle étude, est responsable d'une vieille énigme de la physique : l'effet de sélectivité de spin induite par chiralité (CISS). Le principe est simple : une molécule qui s'enroule vers la gauche laisse passer les électrons dont le spin (rotation propre) pointe dans une direction plus facilement que ceux dont le spin pointe dans l'autre, et une molécule qui s'enroule vers la droite fait l'inverse. On pensait auparavant que tout se jouait au niveau des contacts entre la molécule et les électrodes. Mais les expériences suggéraient que le principal « filtre » est la molécule elle-même.
La nouvelle théorie relie la direction de ce moment à la chiralité de la molécule — son « gauchisme » ou « droiture ». Le moment naît du fait que la trajectoire de l'électron est incurvée, comme le lit d'une rivière. Cette courbure agit sur l'électron à la manière d'un champ magnétique. En conséquence, la résistance de la molécule varie en fonction de l'aimantation des contacts — même si la tension ne change pas de signe. La théorie ne viole pas les lois fondamentales de la symétrie et prédit de nouveaux effets : par exemple, les courbes courant-tension pour les molécules gauches et droites peuvent se croiser plusieurs fois.
Ainsi, un modèle fondé sur la simple géométrie et le courant explique un large éventail de phénomènes — de la magnétorésistance à l'anisotropie magnétochirale électrique (la dépendance de la conductivité vis-à-vis du sens du courant et du champ magnétique). L'escalier en colimaçon à l'intérieur de la molécule s'avère être la clé pour contrôler les spins sans aimants externes.
L'effet CISS est si puissant que dans certaines molécules, la polarisation de spin des électrons peut atteindre près de 100 % — comme dans un filtre magnétique idéal, mais sans aimants encombrants.